高速鐵路高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

李俊龍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

高速鐵路高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

李俊龍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

文章針對(duì)滬昆高鐵(長(zhǎng)沙-昆明段)岔河大橋主橋(88+168+88)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，介紹了高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的靜動(dòng)力特性及車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。研究表明對(duì)于百米以上高墩，矩形空心墩較雙薄壁墩有更好的縱向剛度，同時(shí)設(shè)置墩身二次放坡，具有更好的橫向剛度和行車動(dòng)力性能。文章介紹了高速鐵路高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

高速鐵路； 高墩大跨； 預(yù)應(yīng)力混凝土； 連續(xù)剛構(gòu)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

新建高速鐵路滬昆客運(yùn)專線(長(zhǎng)沙至昆明段)岔河大橋位于貴州省晴隆縣與普安縣之間，跨越岔河，橋高約170m，橋梁全長(zhǎng)484.05m。橋址兩岸岸坡地勢(shì)陡峻，河谷深切，為V型河谷地貌，自然坡度為30°～65°，基巖多裸露，植被不發(fā)育。橋區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g。橋址處地質(zhì)較差，主要有巖溶、斷層破碎帶、巖堆及順層。主橋?yàn)?88+168+88) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，采用對(duì)稱懸臂灌注法施工，主墩墩高分別為76 m、103 m，為目前已建成的350 km/h時(shí)速高速鐵路世界最大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)高墩鐵路橋。主橋總體布置見圖1[1]。

圖1 主橋總體布置

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)線路等級(jí)：客運(yùn)專線。

(2)設(shè)計(jì)行車速度：350 km/h。

(3)正線數(shù)目：雙線；線間距：5 m。

(4)設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

(5)軌道結(jié)構(gòu)類型：CRTS-I型雙塊式無砟軌道，跨區(qū)間無縫線路。

(6)設(shè)計(jì)洪水頻率：100年一遇。

(7)使用年限：正常條件下設(shè)計(jì)壽命為100 a。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造

梁體為單箱單室直腹板變高度變截面箱梁，計(jì)算跨度為(88+168+88) m，剛構(gòu)梁體全長(zhǎng)345.8 m。防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬8.8 m，橋面寬12 m。邊支座中心線至梁端距離0.9 m，橫橋向支座中心距為7 m。中跨跨中18 m梁段和邊跨端部13.9 m梁段為等高梁段，梁高為6 m。中支點(diǎn)處梁高為12 m，除0號(hào)段外其余梁段梁底下緣按二次拋物線變化。箱梁頂板寬12 m，底板寬8 m。頂板厚62 cm，邊跨端塊處頂板厚由62 cm漸變至100 cm。底板厚52～110 cm，腹板厚50～110 cm。梁體在邊跨支座處和主墩處設(shè)橫隔板，全聯(lián)共設(shè)6道橫隔板，橫隔板中部設(shè)有孔洞，以便人員通過。梁體標(biāo)準(zhǔn)截面見圖2[1]。

圖2 梁體構(gòu)造(單位：cm)

2.2 梁體預(yù)應(yīng)力體系

梁體采用C55混凝土，按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縱向、橫向、豎向均設(shè)預(yù)應(yīng)力。縱向預(yù)應(yīng)力采用19-15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(fpk=1860 MPa)，金屬波紋管成孔，15-19錨具錨固。橫向預(yù)應(yīng)力采用4-15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(fpk=1860 MPa)，金屬波紋管成孔，配套扁錨錨固。豎向預(yù)應(yīng)力采用φ32 PSB830螺紋粗鋼筋，金屬波紋管成孔，對(duì)應(yīng)錨具錨固，張拉時(shí)采用單端張拉的方式，張拉端設(shè)在梁頂。

2.3 下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主墩采用鋼筋混凝土矩形空心墩，墩頂處橫橋向?qū)? m，壁厚為1.1 m；縱橋向?qū)?0 m，壁厚為1.3 m。主墩縱橋向內(nèi)外均不放坡，在墩頂和墩底分別設(shè)置1.2 m、6 m高的實(shí)體段。1#主墩高76 m，橫橋向外坡為15∶1，橫橋向內(nèi)坡為35∶1。為了將墩身質(zhì)量合理地集中在結(jié)構(gòu)下部，使其重心下移，有效增加其橫向剛度，同時(shí)得到較好的外觀效果，故2#主墩橫橋向采用直線二次放坡。2#主墩高103 m，墩頂以下75 m范圍橫橋向外坡為15∶1，下接直線二次放坡，橫橋向外坡變?yōu)?0∶1，橫橋向內(nèi)坡為35∶1。2#主墩構(gòu)造見圖3[1]。主墩基礎(chǔ)均采用鉆孔群樁基礎(chǔ)，1#主墩樁徑2.5 m，共6+5+6=17根樁成梅花形布置，樁長(zhǎng)為51 m；2#主墩樁徑2.8 m，共3×6=18根樁成行列式布置，樁長(zhǎng)為30～34 m[1-2]。

圖3 2#主墩構(gòu)造(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)分析和研究

3.1 靜力計(jì)算

采用有限元橋梁專用軟件對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行整體計(jì)算研究，得到各施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的內(nèi)力、應(yīng)力及截面強(qiáng)度等分析結(jié)果。施工階段中，最大壓應(yīng)力14.8 MPa，最大拉應(yīng)力-1.0 MPa；在最不利荷載組合下，運(yùn)營(yíng)階段截面均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，頂、底板壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。考慮豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋作用時(shí)，最大主壓應(yīng)力、主拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。靜活載作用下中跨跨中最大撓度值為41.6 mm(L/4038)，邊跨跨中最大撓度值9.4 mm[3-4]。

3.2 高墩設(shè)計(jì)研究

連續(xù)剛構(gòu)橋的墩梁剛性連接，墩與梁的彎矩分配決定于兩者的相對(duì)剛度，且梁體的收縮、徐變及溫度應(yīng)力也與剛構(gòu)墩柱的抗推剛度直接相關(guān)，既要滿足全橋的縱向剛度要求，又要盡可能地優(yōu)化梁體內(nèi)力分布，因此結(jié)構(gòu)剛度是高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋設(shè)計(jì)的重要控制因素，選擇合適的墩柱縱向剛度是其中的重要內(nèi)容。由于本橋橋墩較高(超過100 m)，采用雙薄壁墩的話，其縱向剛度相對(duì)于矩形空心墩較小，在縱向水平力作用下，縱向位移將增大，同時(shí)墩身截面需保持足夠的整體抗彎剛度來保持全橋的整體穩(wěn)定，勢(shì)必設(shè)計(jì)會(huì)加大墩柱尺寸，這樣將使圬工增大，且百米高的雙薄壁墩施工的線形控制也較難。故經(jīng)上述雙薄壁墩、矩形空心墩綜合對(duì)比，剛構(gòu)主墩采用矩形空心墩較好[5]。

矩形空心高墩墩頂處橫橋向?qū)? m，縱橋向?qū)?0 m，縱橋向不放坡，在1/4墩高即墩頂以下75 m處橫橋向進(jìn)行直線二次放坡。本橋比選如下3種方案，其橫橋向放坡區(qū)別如表1所示。

表1 主墩橫向放坡方案

經(jīng)有限元計(jì)算分析，主墩各方案的自振頻率如表2所示。

表2 主墩自振頻率

綜上可知：剛構(gòu)主墩橫向尺寸是全橋整體橫向剛度最重要的控制因素，可通過墩身構(gòu)造及尺寸的改變來提高結(jié)構(gòu)剛度，故選擇在1/4墩高處橫橋向直線二次放坡。此方案將墩身質(zhì)量合理地集中在結(jié)構(gòu)下部，使其重心下移，有效增加其橫向剛度，改善了行車性能，同時(shí)整體外觀效果較好。

3.3 車橋耦合動(dòng)力分析

本橋主跨168 m，主墩103 m，為目前已建成的350 km/h時(shí)速高速鐵路同類橋梁中的世界最大跨度，橋上鋪設(shè)無縫線路，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能要求大大提高，設(shè)計(jì)合理的豎向和橫向剛度對(duì)保證高速列車通過時(shí)的行車安全、橋梁安全和旅客、司機(jī)的乘坐舒適性至關(guān)重要[6-7]。

對(duì)上述三個(gè)主墩方案進(jìn)行車橋空間耦合動(dòng)力分析，軌道不平順采用德國(guó)低干擾軌道譜，列車類型采用德國(guó)ICE3動(dòng)力分散式車組和國(guó)產(chǎn)300 km/h動(dòng)力分散式車組；列車編組為：2*(動(dòng)+拖+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+拖+動(dòng))，共16節(jié)；速度等級(jí)取250、275、300、325、350、375、400、420 km/h。

車橋耦合動(dòng)力分析評(píng)價(jià)結(jié)果見表3～表5。

表3 車橋耦合動(dòng)力分析評(píng)價(jià)(方案一)

表4 車橋耦合動(dòng)力分析評(píng)價(jià)(方案二)

表5 車橋耦合動(dòng)力分析評(píng)價(jià)(方案三)

車橋空間耦合動(dòng)力分析結(jié)論如下：

(1)三個(gè)方案的中跨跨中豎向振動(dòng)加速度均較小，最大值基本一致，說明三個(gè)方案橋梁的豎向剛度基本一致，幾乎沒有變化；方案三的橋梁跨中橫向振動(dòng)加速度明顯比方案一和方案二的相應(yīng)值要大，但均在規(guī)范限值以內(nèi)。

(2)在德國(guó)ICE3和國(guó)產(chǎn)300 km/h動(dòng)車組以速度250～420 km/h范圍作用下，方案一、方案二和方案三的動(dòng)車與拖車的脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率等安全性指標(biāo)均不超過限值，滿足高速列車行車安全性要求。方案一、方案二和方案三的豎向舒適性均為“優(yōu)”或“良”；方案一、方案二的橫向舒適性均為“優(yōu)”或“良”，但方案三的橫向舒適性僅為“合格”。

可見方案一過于保守，方案三橫向剛度略差，因此，為保證高速列車具有足夠的安全性和優(yōu)秀的舒適性，設(shè)計(jì)采用方案二。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)岔河大橋主橋(88+168+88) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，最大墩高103 m，集高墩、大跨于一體，為當(dāng)今世界350 km/h時(shí)速高速鐵路最大跨度的混凝土連續(xù)剛構(gòu)高墩鐵路橋。主墩采用橫橋向直線二次放坡的矩形空心高墩，把墩身質(zhì)量及剛度集中于結(jié)構(gòu)下部，能較好地滿足全橋靜動(dòng)力特性，從而改善行車性能。

(2)通過對(duì)本橋靜動(dòng)力特性及車橋耦合動(dòng)力分析研究，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)符合規(guī)定，滿足旅客乘坐舒適度、高速列車運(yùn)營(yíng)安全性及無縫軌道平順性等要求。岔河大橋通過靜動(dòng)載試驗(yàn)，并于2016年12月通車運(yùn)營(yíng)，結(jié)果表明，大橋行車平穩(wěn)舒適、結(jié)構(gòu)安全可靠、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。

(3)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是高速鐵路跨越高山峽谷的常用橋型，滬昆高鐵(長(zhǎng)沙-昆明段)岔河大橋主橋(88+168+88) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋成功地設(shè)計(jì)、施工并建成運(yùn)營(yíng)，為高速鐵路高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)提供了參考，為其跨度的進(jìn)一步突破奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.新建高速鐵路滬昆客運(yùn)專線(長(zhǎng)沙-昆明段)岔河大橋施工圖[Z].成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2012.

[2] TB 10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[3] TB 10621-2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] TB 10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 馬庭林，陳克堅(jiān)，徐勇.南昆鐵路清水河大橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)主橋施工設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，1997(3)：69-74.

[6] 陳列，顏華.新建200 km/h客貨共線鐵路大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究[J].橋梁建設(shè)，2006(6)：37-39.

[7] 何庭國(guó)，鄢勇.遂渝鐵路新北碚嘉陵江大橋設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，2006(S2)：26-29.

李俊龍(1985 ～)，男，碩士研究生，工程師，從事大跨橋梁設(shè)計(jì)研究。

U442．5+5

A

[定稿日期]2017-01-13